ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Фрикционная перемешивающая обработка (ФПО) признается перспективным методом модификации поверхностных слоев конструкционных сплавов на основе меди, однако высокая теплопроводность данной группы материалов существенно затрудняет управление термическим циклом и, как следствие, контроль микроструктуры. Настоящая работа посвящена систематическому изучению влияния регулируемого теплоотвода – воздушного и водяного – в ходе однопроходной ФПО на структурно-фазовое состояние и комплекс механических характеристик ряда промышленных медных сплавов. Цель исследования состоит в выявлении взаимосвязи между интенсивностью принудительного охлаждения, теплофизическими свойствами сплавов и результирующей морфологией зерен в зоне перемешивания, определяющей уровень эксплуатационных свойств обработанного материала. Методы. В качестве объектов исследования выбраны сплавы БрАМц9-2, БрОФ6,5-0,15, БрКМц3-1 и Л63. ФПО осуществляли в один проход на специализированной экспериментальной установке ИФПМ СО РАН с применением инструмента из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У. Активный теплоотвод реализовывали посредством погружения заготовки в проточную воду, циркуляции хладагента через корпус инструмента и направленной подачи струи в зону контакта; альтернативным вариантом служило обдувание сжатым воздухом. Макро- и микроструктуру исследовали методами оптической металлографии, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, рентгенофазового анализа и энергодисперсионной спектроскопии. Механические характеристики определяли путем измерения микротвердости по Виккерсу и одноосного статического растяжения. Результаты и обсуждение. Установлено, что во всех изученных сплавах ФПО приводит к формированию рекристаллизованной мелкозернистой структуры с преимущественно равноосной формой зерен. Наилучшая стабильность технологического процесса и наиболее выраженное упрочнение достигнуты на алюминиевой бронзе БрАМц9-2: микротвердость, предел прочности и предел текучести возросли на 9, 16 и 5 % соответственно по сравнению с исходным состоянием. Выявлено, что повышенная теплопроводность сплавов обусловливает необходимость увеличения осевого усилия инструмента, что расширяет зону воздействия плеч и формирует широкую область перемешивания. Обнаружена выраженная неоднородность размера зерен по толщине зоны перемешивания: в сплавах с пониженной теплопроводностью при водяном охлаждении размер зерен у корня обработанной зоны превышал аналогичный параметр у лицевой поверхности до 16 раз, что объясняется различиями в скорости затухания рекристаллизационных процессов. Высокая теплопроводность способствует формированию более гомогенной зеренной структуры, особенно в отсутствие принудительного водяного охлаждения.

1. Corrosion of copper alloys in KOH, NaOH, NaCl, and HCl electrolyte solutions and its impact to the mechanical properties / I. Hamidah, A. Solehudin, A. Hamdani, L. Hasanah, K. Khairurrijal, T. Kurniawan, R. Mamat, R. Maryanti, A.B.D. Nandiyanto, B. Hammouti // Alexandria Engineering Journal. – 2021. – Vol. 60 (2). – P. 2235–2243. – DOI: 10.1016/j.aej.2020.12.027.

2. Improvement of properties of aluminum bronze CuAl₇Mn₃ by heat treatments / D.C. Achitei, P. Vizureanu, A.A. Minea, M.M.A.B. Abdullah, M.G. Minciuna, A.V. Sandu // Applied Mechanics and Materials. – 2014. – Vol. 657. – P. 412–416. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.657.412.

3. Enhanced mechanical and electrical properties of in situ synthesized nano-tungsten dispersion-strengthened copper alloy / T. Lu, C. Chen, P. Li, Ch. Zhang, W. Han, Y. Zhou, C. Suryanarayana, Zh. Guo // Materials Science and Engineering: A. – 2021. – Vol. 799. – P. 140161. – DOI: 10.1016/j.msea.2020.140161.

4. Features of microstructure and texture formation of large-sized blocks of C11000 copper produced by electron beam wire-feed additive technology / K. Osipovich, A. Vorontsov, A. Chumaevskii, E. Moskvichev, I. Zakharevich, A. Dobrovolsky, A. Sudarikov, A. Zykova, V. Rubtsov, E. Kolubaev // Materials. – 2022. – Vol. 15 (3). – P. 814–832. – DOI: 10.3390/ma15030814.

5. Research of microstructure, friction and wear on siliconized aluminum-bronze with different silicon powder ratio / F. Tian, C. Wu, B. Zhu, L. Wang, Y. Liu, Y. Zhang // Frontiers in Materials. – 2021. – Vol. 7. – P. 620500. – DOI: 10.3389/fmats.2020.620500.

6. Ferreira L.F.P., Bayraktar E., Miskioglu I. Design of hybrid composites from scrap aluminum bronze chips // Mechanics of Composite and Multi-functional Materials. – 2017. – Vol. 7. – P. 131–138. – DOI: 10.1007/978-3-319-41766-0_15.

7. Schell J., Heilmann P., Rigney D.A. Friction and wear of Cu–Ni alloys // Wear. – 1982. – Vol. 75. – P. 205–220. – DOI: 10.1016/0043-1648(82)90149-1.

8. Venkataraman B., Sundararajan G. The sliding wear behaviour of Al–SiC particulate composites. II. The characterization of subsurface deformation and correlation with wear behavior // Acta Materialia. – 1996. – Vol. 44. – P. 461–473. – DOI: 10.1016/1359-6454(95)00218-9.

9. Effects of alloying, heat treatment and nanoreinforcement on mechanical properties and damping performances of Cu–Al-based alloys: A review / L. Yang, X. Jiang, H. Sun, Z. Shao, Y. Fang, R. Shu // Nanotechnology Reviews. – 2021. – Vol. 10. – P. 1560–1591. – DOI: 10.1515/ntrev-2021-0101.

10. A review of friction stir processing of structural metallic materials: process, properties, and methods / A.P. Zykova, S.Y. Tarasov, A.V. Chumaevskiy, E.A. Kolubaev // Metals. – 2020. – Vol. 10 (6). – P. 772–812. – DOI: 10.3390/met10060772.

11. Microstructure and wear characterization of rice husk ash reinforced copper matrix composites prepared using friction stir processing / I. Dinaharan, K. Kalaiselvan, E.T. Akinlabi, J.P. Davim // Journal of Alloys and Compounds. – 2017. – Vol. 718. – P. 150–160. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.05.117.

12. Kalashnikov K.N., Chumaevskii A.V., Ivanov A.N. Producing high-strength materials by friction stir processing // AIP Conference Proceedings. – 2018. – Vol. 2053. – P. 040036. – DOI: 10.1063/1.5084474.

13. Friction stir welding/processing of metals and alloys: A comprehensive review on microstructural evolution / A. Heidarzadeh, S. Mironov, R. Kaibyshev, G. Çam, A. Simar, A. Gerlich, F. Khodabakhshi, A. Mostafaei, D.P. Field, J.D. Robson, A. Deschamps, P.J. Withers // Progress in Materials Science. – 2021. – Vol. 117. – P. 100752. – DOI: 10.1016/j.pmatsci.2020.100752.

14. Effect of friction stir welding heat input on the microstructure and tensile properties of Cu-Zn alloy containing disordered β phase / A. Rahimzadeh, A. Heidarzadeh, A. Mohammadzadeh, G. Moeini // Journal of Materials Research and Technology. – 2020. – Vol. 9 (5). – P. 11154–11161. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2020.08.010.

15. Arulmoni V.J., Ranganath M.S., Mishra R.S. Friction stir processed copper: a review // International Research Journal of Sustainable Science & Engineering. – 2015. – Vol. 3 (8). – P. 1–11.

16. Narender M., Manoj A., Jakirahamed A.D. Study on defects repairing using friction stir technologies // Materials Today: Proceedings. – 2021. – Vol. 44 (1). – P. 2373–2379. – DOI: 10.1016/j.matpr.2020.12.441.

17. Production of Al–Sn bearing material by friction stir processing technique: structural evaluation and mechanical property / M. Kasraie, M. Hosseini, H. Danesh-Manesh, M. Abbasi // Materials Research Express. – 2019. – Vol. 6 (2). – P. 026503. – DOI: 10.1088/2053-1591/aaea2f.

18. Effects of the processing parameters of friction stir processing on the microstructure, hardness and tribological properties of SnSbCu bearing alloy / B. Leszczynska-Madej, M. Madej, J. Hrabia-Wisnios, A. Weglowska // Materials. – 2020. – Vol. 13 (24). – P. 5826–5841. – DOI: 10.3390/ma13245826.

19. Черемнов А.М. Закономерности формирования структуры и свойств медных сплавов трибологического назначения в условиях квазивязкого течения при фрикционной перемешивающей обработке: дис. … канд. техн. наук. – Томск, 2026. – 155 с.

20. Cartigueyen S., Mahadevan K. Role of friction stir processing on copper and copper based particle reinforced composites – a review // Journal of Materials Science & Surface Engineering. – 2015. – Vol. 2 (2). – P. 133–145.

21. Iwaszko J. New trends in friction stir processing: rapid cooling – a review // Transactions of the Indian Institute of Metals. – 2022. – Vol. 75. – P. 1681–1693. – DOI: 10.1007/s12666-022-02552-2.

22. Critical review on advanced cooling strategies in friction stir processing for microstructural control / M.S. Patel, R.J. Immanuel, A. Rahaman, M.F. Khan, M. Jouiad // Crystals. – 2024. – Vol. 14 (7). – P. 655–678. – DOI: 10.3390/cryst14070655.

23. Sree Sabari S., Malarvizhi S., Balasubramanian V. Influences of tool traverse speed on tensile properties of air cooled and water cooled friction stir welded AA2519-T87 aluminium alloy joints // Journal of Materials Processing Technology. – 2016. – Vol. 237. – P. 286–300. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2016.06.015.

24. Fratini L., Buffa G., Shivpuri R. Mechanical and metallurgical effects of in process cooling during friction stir welding of AA7075-T6 butt joints // Acta Materialia. – 2010. – Vol. 58 (6). – P. 2056–2067. – DOI: 10.1016/j.actamat.2009.11.048.

25. Sedeghati A., Bouzary H. A study on the effect of cooling on microstructure and mechanical properties of friction stir-welded AA5086 aluminum butt and lap joints // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications. – 2017. – Vol. 233 (6). – P. 1156–1165. – DOI: 10.1177/1464420717726562.

26. High-temperature tensile properties of friction stir processed AA2024 aluminum alloy under varying in situ cooling conditions / E. Behtaripour, H.R. Jafarian, S.H. Seyedein, N. Park, A.R. Eivani // Journal of Materials Research and Technology. – 2025. – Vol. 35. – P. 140–151. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2025.01.008.

27. Heterogeneous structure-induced strength and ductility synergy of α-brass subjected to rapid cooling friction stir welding / N. Xu, L. Chen, B.-k. Gu, Z.-k. Ren, Q.-n. Song, Y.-f. Bao // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2021. – Vol. 31 (12). – P. 3785–3799. – DOI: 10.1016/S1003-6326(21)65764-3.

28. Xu N., Ueji R., Fujii H. Enhanced mechanical properties of 70/30 brass joint by rapid cooling friction stir welding // Materials Science and Engineering: A. – 2014. – Vol. 610. – P. 132–138. – DOI: 10.1016/j.msea.2014.05.037.

29. An overview of friction stir processing of Cu–SiC composites: Microstructural, mechanical, tribological, and electrical properties / M.R. Akbarpour, H.M. Mirabad, F. Gazani, I. Khezri, A. Ahmadi Chadegani, A. Moeini, H.S. Kim // Journal of Materials Research and Technology. – 2023. – Vol. 27. – P. 1317–1349. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.09.200.

30. The impact of welding heat input on microstructure, micro-texture, and mechanical properties of stir zone in friction stir welded DP600 steel / H. Ashrafi, M. Shamanian, M. Sanayei, F. Farhadi, J.A. Szpunar // Materials Today Communications. – 2023. – Vol. 37. – P. 107127. – DOI: 10.1016/j.mtcomm.2023.107127.

31. Колдин А.В., Платонов Н.И. Теплообмен при струйном охлаждении высокотемпературной поверхности // Вестник Челябинского государственного университета. – 2013. – № 25. – С. 48–51.

32. Zuckerman N., Lior N. Jet impingement heat transfer: physics, correlations, and numerical modeling // Advances in Heat Transfer. – 2006. – Vol. 39. – P. 565–631. – DOI: 10.1016/S0065-2717(06)39006-5.

33. General methodology to estimate the dislocation density from microhardness measurements / A.A.H. Ameri, N.N. Elewa, M. Ashraf, J.P. Escobedo-Diaz // Materials Characterization. – 2017. – Vol. 131. – P. 324–330. – DOI: 10.1016/j.matchar.2017.06.031.

34. On material flow in friction stir welded Al alloys / A. Tongne, C. Desrayaud, M. Jahazi, E. Feulvarch // Journal of Materials Processing Technology. – 2017. – Vol. 239. – P. 284–296. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2016.08.030.

35. Liu F.C., Nelson T.W. In-situ material flow pattern around probe during friction stir welding of austenitic stainless steel // Materials and Design. – 2016. – Vol. 110. – P. 354–364. – DOI: 10.1016/j.matdes.2016.07.147.

36. Effect of stacking fault energy on the restoration mechanisms and mechanical properties of friction stir welded copper alloys / A. Heidarzadeh, T. Saeid, V. Klemm, A. Chabok, Yu. Pei // Materials and Design. – 2019. – Vol. 162. – P. 185–197. – DOI: 10.1016/j.matdes.2018.11.050.

37. Driving forces of solid-state Cu-to-Cu direct bonding suppressing the work-hardening loss by refill friction stir spot welding / S. Lee, S. Baek, S.-J. Lee, C. Chen, M. Nishijima, K. Suganuma, H. Utsunomiya, N. Ma, H.-Y. Yu, D. Kim // Materials Science and Engineering: A. – 2024. – Vol. 915. – P. 147178. – DOI: 10.1016/j.msea.2024.147178.